摘要
六方氮化硼(h-BN)具有类似石墨的层状结构，其层内的B和N原子通过强sp2杂化共价键结合，而层与层之间则通过较弱的范德华力结合。由于其特殊的层状结构，h-BN沿层内和层间的弹性模量、热导率、热膨胀系数等物理性能呈现出明显的各向异性。如能在烧结过程中通过晶粒沿特定方向的长大或晶粒转向而使h-BN晶粒的c轴沿固定方向排列，就可以获得具有定向导热功能的织构h-BN陶瓷，结合其耐高温、透波及绝缘特性，可用作航天器天线窗盖板、微电子行业用导热基片等定向热疏导材料。目前在热压烧结h-BN陶瓷的晶粒生长与织构化机理方面还没有系统研究，h-BN陶瓷的热导率仍与h-BN晶体的理论热导率有较大差距，且h-BN陶瓷的力学性能有待进一步提高以增强其在实际应用中的稳定性。因此，织构h-BN陶瓷的晶粒生长与织构化机理及其力学与导热各向异性的研究具有重要的学术与应用价值。 本文以亚微米h-BN粉体及大尺寸片状h-BN粉体为主要原料。通过高能球磨进一步减小亚微米h-BN粉体粒径并引入缺陷来提高在烧结过程中的原子扩散传质速率，进而研究h-BN陶瓷在热压烧结过程中的晶粒生长与织构化机理；通过优化液相烧结助剂的种类及含量从而制备出片状h-BN晶粒在烧结压力作用下高度定向排布且具有优异定向导热性能的织构化h-BN复相陶瓷；通过优化弱织构层(以亚微米h-BN粉体为原料)与强织构层(以大尺寸片状h-BN粉体和3Y2O3-5Al2O3液相烧结助剂为原料)交替排列的h-BN多层复合陶瓷中强织构层所占体积比进一步提高了h-BN陶瓷的力学性能与多点接触定向导热性能。 在热压烧结过程中，由h-BN晶粒(002)晶面组成的晶界周围存在“多区域共生长”现象，导致长大后的h-BN晶粒中存在层错。轴向压力既有促进h-BN原料粉体沿压力方向的接触和片状晶粒长大的“生长作用”，又有促使片状h-BN晶粒旋转的“转向作用”，哪种作用占优决定了烧结后h-BN陶瓷中的织构化方向。由于细粒径h-BN粉体在烧结过程中具有较大的原子扩散传质速率，因此其在烧结过程中必然存在压力的“生长作用”与“转向作用”的竞争，限制了烧结后h-BN陶瓷的织构化程度和定向导热性能。 采用大尺寸片状的h-BN粉体进行液相热压烧结可以使压力的“转向作用”占绝对主导地位。3Re2O3-5Al2O3(Re=Y,La,Nd,Gd)均可在烧结过程中提供适宜的液相环境来促使大尺寸片状h-BN晶粒在烧结压力作用下转向从而获得高度织构化(Lotgering取向因子f00l＞0.98)的h-BN复相陶瓷，其中3Y2O3-5Al2O3在烧结过程形成的Y3Al5O12液相对h-BN晶粒具有良好的润湿性，且在二者之间可以观察到共格界面，这在一定程度上降低了界面热阻。然而，过量的3Y2O3-5Al2O3烧结助剂(40wt.%)会造成Y3Al5O12的团聚，进而导致片状h-BN晶粒的V字形翘曲，降低复相陶瓷的织构化程度和定向导热性能。使用30wt.%的3Y2O3-5Al2O3烧结助剂制备的h-BN复相陶瓷具有最优异的定向导热性能，其沿垂直于烧结压力方向的热导率(163.2W/(m·K))为沿平行于烧结压力方向的热导率(14.7W/(m·K))的11.1倍。 通过调控h-BN多层复合陶瓷中强织构层体积比，可以进一步提高h-BN陶瓷的力学性能与多点接触定向导热性能。烧结过程中形成于强织构层中的液相向弱织构层的渗透阻碍了弱织构层的晶粒长大。强织构层内发生的裂纹偏转使其表现出明显的非灾难性断裂模式。强织构层含量为49vol.%的多层复合陶瓷的抗弯强度与断裂韧性分别比强织构均质块体陶瓷高出了33.1%和23.4%。与热源呈多点接触出时，强织构层含量为35vol.%的多层复合陶瓷表现出最优异的定向导热性能。
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